Тема 12. Понятие о географической оболочке как объекте землеведения 12 общие особенности географической оболочки

12.4. ВСЕОБЩИЕ ЗАКОНЫ И КОНЦЕПЦИЯ СИСТЕМЫ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

Основополагающим в естествознании является понятие «система» – совокупность элементов, находящихся в определенном отношении. Все то, с чем данная система взаимодействует, называют средой. Географические системы взаимодействуют между собой территориально и функционально. Каждая система состоит из конечного числа элементов. С некоторой долей условности системы географической оболочки (геосистемы) и ее внешнего окружения можно подразделить на механические, термодинамические, биокосные, биологические, этнические и социальные (последние три в землеведении не изучаются).

Рис 12.1. Состояние системы: а - устойчивое; б – метаустойчивое; в – неустойчивое (объяснение в тексте)

Система имеет связи, которые подразделяют на прямые (причинно-следственные, вещественно-энергетические) и обратные (информационно-регулирующие). Систему с обратными связями называют саморегулируемой. Обратные связи бывают отрицательными и положительными. Отрицательная связь уменьшает интенсивность процесса в системе при увеличении ее «выхода». Она характерна для нормально функционирующих систем и направлена на поддержание их динамического равновесия, устойчивости, неизменности. Положительная связь усиливает процесс по мере увеличения «выхода» системы, т.е. приводит к лавинообразному нарастанию процесса, в результате чего система переходит в новое состояние или разрушается. Чаще всего такой ход изменений провоцируется внешними причинами, но механизм саморазвития заложен в природе системы.

Состояние системы описывается параметрами, среди которых выделяют интенсивные и экстенсивные. Интенсивные параметры (температура, абсолютная и относительная влажность, биопродуктивность) не зависят от размеров системы, экстенсивные (запасы тепла, влагосодержание в воздушной массе, запасы органического вещества и др.) определяются величиной системы (температура есть и в Арктике, и на экваторе, но в Арктике она ниже, а на экваторе выше). Следовательно, первые не меняются при делении системы на части, а вторые убывают.

Если интенсивные параметры системы однородны, т.е. не различаются в ее частях, то такая система находится в состоянии устойчивого равновесия по данным параметрам. Устойчивым называют равновесие, которое самопроизвольно восстанавливается, если систему из него вывести. Систему в устойчивом состоянии можно уподобить шарику, находящемуся в ямке (рис. 12.1, а). Метаустойчивым называют состояние, являющееся одним из вариантов устойчивого (рис. 12.1, б): шар мог бы занять любое из трех понижений (7, 2, 3), но из них абсолютно устойчиво только положение 2. Неустойчивым называют состояние, когда малый импульс воздействия выводит систему из равновесия, в которое она не может возвратиться (рис. 12.1, в). Неустойчивость характерна для развивающихся систем. Она увеличивает разнообразие природы (создаются новые системы), но может иметь и отрицательное экологическое значение. Системы в неустойчивом состоянии подвержены флуктуациям – хаотическим колебаниям параметров, эффект которых непредсказуем.

В большинстве случаев системы географической оболочки являются открытыми. Открытые системы не стремятся к минимуму потенциальной энергии и максимуму энтропии (мера рассеяния энергии). Географические системы способны совершенствоваться, уменьшая (или концентрируя) энтропию за счет внешней среды. Этот процесс можно представить как образование порядка из хаоса. Он наблюдается в географической оболочке эволюционно.

В географической оболочке существуют системы, которые имеют два и более устойчивых состояний, называемых триггерными (переключающими). Например, ледниковое и безледное состояние земной поверхности, функционирование гейзера (покой – выброс). Понятие триггерности важно для оценки возможных экологических последствий: энергетически легче удержать явление в определенном состоянии, чем вернуть его в прежнее, если начался переходный процесс.

12.5. МЕХАНИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКЕ

Механические взаимодействия в планетарных физико-географических процессах, имеющих материальную основу, подчинены закону всемирного тяготения, согласно которому, две любые материальные частицы с массами m₁ и m₂ притягиваются по отношению друг к другу с силой F, пропорциональной произведению масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния r между ними:

Рис 12.2. Закон тяготения Ньютона

Коэффициент пропорциональности G в этом уравнении называется гравитационной постоянной. Численно она равна модулю силы тяготения, действующей на точечное тело единичной массы со стороны другого такого же тела, находящегося от него на единичном расстоянии.

Сила тяготения зависит только от положения частиц в данный момент времени, т.е. гравитационное взаимодействие распространяется мгновенно. Отсюда – выражение для силы тяжести:

Р = mg,

Ускорение свободного падения на поверхности Земли g варьируется от 9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах. Стандартное («нормальное») значение, принятое при построении систем единиц, составляет g = 9,80665 м/с².

В мире макротел, которыми являются небесные тела, закон всемирного тяготения играет основополагающую роль, определяя их взаимодействие и эволюцию. На Земле проявлениями этого закона являются:

• 
  гравитационное поле Земли (поле силы тяжести);
  
• 
  гравитационная дифференциация земного вещества, приводящая к образованию геосфер, изостатическому уравновешиванию литосферы, тепловой конвекции в ядре и мантии, океане и атмосфере;
  
• 
  движения земных масс и их перемещения внутри планеты и на ее поверхности;
  
• 
  образование приливов.
  

Гравитационное поле Земли представляет собой поле силы тяжести – равнодействующей силы тяготения и центробежной силы вращения Земли (рис. 12.2). Так как сила тяготения зависит от радиуса Земли, который наименьший на полюсах, то она наибольшая на полюсах. Центробежная сила, зависящая (при одинаковой скорости вращения) от радиуса орбиты, наибольшая на экваторе. Результирующая этих сил возрастает от экватора к полюсам. Сила тяжести убывает от земной поверхности вверх и несколько возрастает в глубь Земли в пределах литосферы.

Точки с одинаковым потенциалом силы тяжести образуют изопотенциальные (или эквипотенциальные) поверхности. На каждой такой поверхности невозможно самопроизвольное перемещение массы, так как горизонтальная составляющая силы тяжести равна нулю. Наиболее важной изопотенциальной поверхностью Земли является поверхность геоида. Сечения изопотенциальными поверхностями рельефа образует горизонтали (изогипсы суши или изобаты морского дна).

Рис. 12.2. Сила тяжести (Р₀) – равнодействующая сил тяготения (P_N) и центробежной (Р_δ)

Движения тел, имеющих массу, происходят в поле силы тяжести в соответствии с направлением градиента этого поля, т.е. по нормали к изопотенциальным поверхностям. При наличии препятствий (например, рельеф) движение происходит таким образом, чтобы потенциальная энергия уменьшалась. Например, по закону сообщающихся сосудов уровень воды в соединенных резервуарах соответствует одной потенциальной поверхности.

Значения поля силы тяжести Земли отображаются изогалами (линиями равных значений силы тяжести). На карте изогал экватору соответствует ложбина, а полюсам – выпуклости. Наряду с этой общей тенденцией наблюдаются региональные и локальные особенности, связанные с неоднородностью Земли. Они называются гравитационными аномалиями и специально изучаются геофизикой.

По существующим представлениям, сила тяготения была одной из главных при образовании Земли из протопланетного облака. В соответствии с разными гипотезами, Земля возникла как гетерогенное тело (ядро Земли образовалось на более ранней стадии, мантия – на более поздней) или как гомогенная масса. В последнем случае считается, что главным в истории планеты с геофизической точки зрения является процесс гравитационной дифференциации вещества – расслоение в соответствии с плотностью вещества в поле силы тяжести. В результате такого расслоения возникли геосферы, каждая из которых сложена веществом одного агрегатного состояния и сходной плотности. Подсчеты показывают, что количества тепла, которое выделилось в процессе гравитационного расслоения Земли на ядро и мантию, хватило бы для того, чтобы расплавить изначально твердое вещество нашей планеты.

С гравитационной дифференциацией связано множество процессов, в том числе вертикальные тектонические движения блоков литосферы. В атмосфере гравитационная дифференциация приводит к неустойчивости воздушного столба вследствие различных температур и влажности. В тропосфере воздух нагревается от земной поверхности и испытывает импульс движения, направленный вверх («всплывает»). Гравитационная неустойчивость атмосферы обычна, поэтому в метеорологии уменьшение температуры от земной поверхности вверх считают нормой, тогда как увеличение температуры с высотой называется инверсией. В гидросфере гравитационная дифференциация зависит как от температуры, так и от солености водных масс, что также приводит к их перемещению и размещению в соответствии с плотностью (процесс подъема вод называется апвеллинг, опускания – даунвеллинг).

Процессы плотностной дифференциации проявляют себя также в виде изостатического уравновешивания литосферы. Это хорошо иллюстрируют модели изостатического уравновешивания тел, плавающих на водной поверхности (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Модели изостазии: а – уравновешивание на субстрате блоков по мощности литосферы; б – уравновешивание на субстрате блоков по плотности вещества (цифры даны в единицах условной плотности)

На рис. 12.3, б показаны кубики различной плотности при их одинаковом размере, вследствие чего они погружаются в воду пропорционально отношению собственной плотности воды. На рис. 12.3, а показаны кубики одинаковой плотности, но различных размеров, поэтому каждый кубик погружен в воду на величину, равную отношению масс (как в предыдущем случае), умноженному на сечение кубика. Стрелками показаны пары сил тяжести и Архимедовой. Каждый кубик находится в состоянии изостатического равновесия в соответствии с плотностью вещества и толщиной (мощностью) тела.

Обычно понятие изостатического равновесия употребляется по отношению к литосфере, но эффект проявляется в любых средах.

Рис. 12.4. Изостатическое равновесие литосферы

Так, из принципиальной схемы (рис. 12.4) изостатического уравновешивания блоков литосферы видно, что материковая кора всплывает вместе с частью верхней мантии, поскольку сложена веществом менее плотным, чем океаническая, и имеет большую мощность. Океаническая кора погружается относительно материковой по тем же причинам, ибо плотность ее выше, а мощность меньше. Благодаря изостазии поддерживается закономерное соотношение высот суши и глубин океана, которое отображает гипсографическая кривая.

Рис. 12.5. Гипсографическая кривая поверхности земной коры

Изостатическое уравновешивание литосферы является важным системообразующим свойством географической оболочки. Оно определяет конфигурацию континентов и океанов, распределение высот и глубин, а через них – поступление и перераспределение тепла, циркуляцию водных и воздушных масс и другие закономерности пространственной дифференциации географической оболочки.

12.6. ДВИЖЕНИЯ ЗЕМНЫХ МАСС.

Взаимодействия гравитационных и иных сил внутри планеты и влияние космического окружения приводят к движению земных масс, старающихся занять наиболее устойчивое положение в пространстве. Непосредственным выражением этих смещений являются вулканические процессы – выбросы в географическую оболочку глубинных масс вещества, сейсмические явления – резкие смещения внутриземных масс, сопровождаемые обычно подземными толчками и разрывами сплошности земной коры, тектонические движения – перемещения земных масс внутри планеты или проявляющихся на земной поверхности (неотектонические). Все они активно влияют на функционирование географической оболочки.

Причины движений земной коры

Одна из самых известных гипотез заключается в следующем:

Земля в начале своего образования, то есть после того, как она стала самостоятельным небесным телом, была большим расплавленным шаром. Это было около трёх миллиардов лет тому назад. Человеку невозможно представить себе такой громадный промежуток времени, но хорошо известно, что примерно столько времени, не меньше, существует Земля как самостоятельная планета.

С течением времени раскалённый земной шар остывал, и, как остывающее тело, уменьшался в объёме. На его поверхности уже образовалась твёрдая холодная кора, а в глубине всё ещё оставался жар; но Земля продолжала остывать и, следовательно, сжиматься. Значит, и коре нужно уменьшаться, сокращаться в площади; она коробится, сминается, даже рвётся, лишь бы приспособиться к ещё не остывшему ядру. Отсюда те движения и нарушения на поверхности Земли, которые мы наблюдаем. Такова одна из гипотез, пожалуй самая ранняя.

Наряду с нею, чтобы лучше и точнее объяснить причины тектонических движений, найти их источник, в последние десятилетия было предложено много новых гипотез. Так, например, в одной из гипотез говорится, что материки, состоящие из сравнительно лёгких пород, можно представить себе как бы плавающими в более тяжёлых породах нижней части земной коры. При этом материки могут медленно передвигаться по своему основанию, как льдины по воде. Можно рассчитать, какие силы и в каком направлении стремятся сдвинуть огромные массы материков. Если это так, то при своём движении материки будут испытывать различные деформации, то есть тектонические нарушения, что и явится, с одной стороны, причиной образования гор, а с другой, землетрясений, вулканических извержений и т. п.

В другой гипотезе указывается на то, что материковые массы могут перемещаться не только в горизонтальном направлении, но и в вертикальном, то бишь либо подниматься, либо опускаться. Если такая огромная масса, как целый материк, опустится хотя бы немного и очень медленно, то она с такой силой выжмет из-под своего основания подстилающие её породы, что образуются горы.

Указывают далее на то, что в Земле имеется некоторое количество так называемых радиоактивных веществ, которые всё время испускают тепло, нагревают Землю и могут со временем даже расплавить её. Отсюда — опять возникают движения, которые мы именуем тектоническими.

Наконец, многое говорит за то, что в глубинах Земли существуют очень медленные, но мощные потоки вещества, перетекающего с одного места на другое. Вещество в глубинах Земли, вследствие огромного всестороннего давления, обладает пластическими свойствами, то есть податливо, способно к перемещениям. Подобные подкорковые потоки вовлекают в движение благодаря трению и земную кору; отсюда тектонические нарушения, горы и землетрясения.

Как видим, гипотез много, но основная причина движения земной коры заключается в необходимости уравновешивания результатов взаимодействий внутри Земли и на ее поверхности. Движения земных масс являются важной характеристикой планеты, так как свидетельствуют об активности ее недр и способности к развитию и совершенствованию.

жүктеу/скачать 213 Kb.

Достарыңызбен бөлісу: